大尺寸真三轴煤岩水力压裂模拟试验与裂缝扩展分析

水力压裂是一项广泛应用于低渗煤层的卸压增透技术。为了深入研究煤岩受力、天然裂缝、泵注排量对水力裂缝扩展规律及空间结构的影响,采用大尺寸真三轴水力压裂试验系统、压裂液中添加示踪剂等方式,在真三轴条件下对大尺寸煤岩进行了水力压裂试验。通过剖切压裂试样描述了水力裂缝扩展和空间展布规律,分析了裂缝宽度与应力之间的关系,并初步探讨了煤岩水力裂缝网络的形成机制。结果表明:(1)水力裂缝自割理处起裂并沿割理扩展、连接割理,进而形成复杂的裂缝网络结构;(2)水力裂缝受应力条件作用明显,当最大水平主应力和垂向应力相近,且远大于最小水平主应力时,易形成复杂的裂缝形态;(3)煤岩天然裂隙的存在是形成裂缝网络结构的前提,泵注排量对裂缝网络的形成也有重要影响;(4)煤岩裂隙在局部区域影响水力裂缝转向、分叉,但最终水力裂缝在扩展过程中逐渐转向至最大主应力方向;(5)水力压裂过程中,裂缝宽度的变化不仅与煤岩所受应力有关,还受到压裂液排量、天然裂缝等因素的影响。研究结果可以为煤岩裂缝网络的形成机制、现场施工参数的选取提供技术支持。     

大尺寸真三轴煤岩水力压裂模拟试验与裂缝扩展分析

水力压裂是一项广泛应用于低渗煤层的卸压增透技术,为了深入研究煤岩受力、天然裂缝、泵注排量对水力裂缝扩展规律及空间结构的影响,采用大尺寸真三轴水力压裂试验系统、压裂液中添加示踪剂等方式,在真三轴条件下对大尺寸煤岩进行了水力压裂试验,通过剖切压裂试样描述了水力裂缝扩展和空间展布规律,分析了裂缝宽度与应力之间的关系,并初步探讨了煤岩水力裂缝网络的形成机制。结果表明:(1)水力裂缝自割理处起裂并沿割理扩展、沟通割理,进而形成复杂的裂缝网络结构;(2)水力裂缝受应力条件作用明显,当最大水平主应力和垂向应力相近,且远大于最小水平主应力时,易形成复杂的裂缝形态;(3)煤岩天然裂隙的存在是形成裂缝网络结构的前提,泵注排量对裂缝网络的形成也有重要影响;(4)煤岩裂隙在局部区域影响水力裂缝转向、分叉,但最终水力裂缝在扩展过程中逐渐转向至最大主应力方向;(5)水力压裂过程中,裂缝宽度的变化不仅与煤岩所受应力有关,还受到压裂液排量、天然裂缝等因素的影响。研究结果可以为煤岩裂缝网络的形成机理、现场施工参数的选取提供技术支持。     

大尺寸真三轴煤岩水力压裂模拟试验与裂缝扩展分析

水力压裂是一项广泛应用于低渗煤层的卸压增透技术,为了深入研究煤岩受力、天然裂缝、泵注排量对水力裂缝扩展规律及空间结构的影响,采用大尺寸真三轴水力压裂试验系统、压裂液中添加示踪剂等方式,在真三轴条件下对大尺寸煤岩进行了水力压裂试验,通过剖切压裂试样描述了水力裂缝扩展和空间展布规律,分析了裂缝宽度与应力之间的关系,并初步探讨了煤岩水力裂缝网络的形成机制。结果表明:(1)水力裂缝自割理处起裂并沿割理扩展、沟通割理,进而形成复杂的裂缝网络结构;(2)水力裂缝受应力条件作用明显,当最大水平主应力和垂向应力相近,且远大于最小水平主应力时,易形成复杂的裂缝形态;(3)煤岩天然裂隙的存在是形成裂缝网络结构的前提,泵注排量对裂缝网络的形成也有重要影响;(4)煤岩裂隙在局部区域影响水力裂缝转向、分叉,但最终水力裂缝在扩展过程中逐渐转向至最大主应力方向;(5)水力压裂过程中,裂缝宽度的变化不仅与煤岩所受应力有关,还受到压裂液排量、天然裂缝等因素的影响。研究结果可以为煤岩裂缝网络的形成机理、现场施工参数的选取提供技术支持。     

不同地应力测试方法在三山岛金矿2 005 m竖井建井区域的应用及其地应力分布规律研究

地应力对地下工程安全施工及长期稳定性是极其重要的。运用声发射法、非弹性恢复(ASR)法、水压致裂法对三山岛金矿西岭矿区2 005 m竖井工程勘察区域进行地应力测量,获取了其地应力分布规律及其异常区域,并分析了不同地应力测试方法的测试原理、适用条件及测试结果的差异性。结果表明：不同埋深水平最大主应力始终为第一主应力;当埋深增加到一定程度后,第二主应力发生转换,由最小水平主应力转变为垂直主应力;声发射法测量结果表明,第三主应力Kaiser效应点与ASR法、水压致裂法测试结果存在较大差异;分析了σ_H/σ_v、σ_h/σ_v、σ_H/σ_h随埋深的变化趋势(σ_H为水平最大主应力,σ_h为水平最小主应力,σ_v为垂直主应力),并对测试区域地应力异常区域进行了圈定。上述分析为竖井的设计、施工及长期稳定性提供了有效的数据支撑。     

渤海海峡跨海通道工程区海域三维地应力测试

跨渤海通道海域缺乏实测地应力基础数据,而海域钻探原位实测又承担着巨大风险与重重困难,为取得工程区现今地应力场特征第一手资料,利用以水压致裂地应力测量为主,以空心包体、非弹性应变恢复、差应变、声波各向异性法为辅的综合地应力测量技术,对研究区海域开展三维地应力测试与研究,建立了线性回归方程,得到了回归拟合曲线。结果表明,渤海海峡最大水平主应力σ_H、最小水平主应力σ_h与垂直主应力σ_v均随测试深度的增加呈线性增大规律;海峡南部地应力状态存在σ_H>σ_h>σ_v的关系,处于逆冲应力状态,应力场方向为NE,最大水平主应力大于垂直主应力,区域内构造力处于主导地位;海峡北部应力状态为σ_H>σ_v>σ_h,有利于走滑断层活动,应力场方向为NE,区域内构造力处于主导地位;整个工程区内地应力各分量值之间相差不大,远远小于区内断层活动应力值的下限,表明研究区目前处于稳定状态。研究结果符合一般地应力测...     

基于扩展有限元分析的页岩水力压裂裂缝扩展规律探究

水力压裂是开采地下页岩气资源的有效技术手段,探究页岩水力压裂裂缝的扩展规律,可为页岩气的高效开采提供科学的指导依据。通过运用大型有限元软件ABAQUS中的扩展有限元模块,针对不同地应力差工况条件下均质页岩中初始裂缝的位置、方位角、数量和含层理页岩中层理的构造方向、内部倾角、岩性对水力裂缝扩展的影响进行探究。结果表明：对于垂向扩展的水力裂缝,水平主应力增大使裂缝更不易扩展,裂缝扩展长度减小、起裂压力增大;在注液体积流量相同时,向初始裂缝两端同时起裂所形成的水力裂缝长度大于仅向一侧起裂;当初始裂缝处于页岩中部且呈45°方向时,裂缝会向最大水平主应力方向偏转,且偏转程度随最大水平主应力的增大而增大;分时多簇压裂时,裂缝间的扩展会相互干扰,且会较大地影响裂缝扩展的形态和起裂压力,但对裂缝注液点裂缝宽度的影响较小;对于含水平和竖直构造层理的页岩,改变层理内部倾角,水力裂缝会出现不同程度偏转,且其偏转程度随着层理内部倾角的增大而减小;对于含45°方向构造层理的页岩,水力裂缝在层理分别为砂岩、煤岩和泥岩中的偏转程度依次增大,且裂缝偏移比随着最大水平主应力的增大而增大。     

多级循环泵注水力压裂模拟实验研究

超深储层地层起裂压力较高,水力压裂受现场泵注设备的限制严重,文中重点研究了大尺度水力压裂物模实验水泥样品尺寸（762 mm×762 mm×914 mm）在循环和常规两种泵注条件下的起裂扩展和声发射规律。实验结果显示,（1）相对于普通泵注,采用循环泵注方式进行水力压裂可以有效降低起裂压力,类似于单轴和三轴循环加载岩石力学行为,都是由于循环加载引起疲劳损伤;（2）对于螺旋射孔完井方式,水力压裂裂缝只从最薄弱射孔处起裂,一旦起裂后其他射孔孔眼很难再开启,水力压裂现场应合理选择分段距离和簇间距,实现储层改造效率最优化;（3）循环泵注水力压裂存在Kaiser效应（当加载应力到前次加载最高应力值时出现的声发射信息）。因孔隙流体扩散到岩石并导致孔隙压力的局部上升,破坏模式仍然可以由摩尔圆表示。研究成果对循环泵注条件的裂缝扩展规律研究以及发展新型压裂改造技术具有重要意义。     

水力裂缝在煤岩界面处穿层扩展规律的数值模拟

为研究水力压裂裂缝在煤层与顶板界面处的穿层扩展规律，在分析煤岩界面性质的基础上，应用有限元法研究煤岩界面处裂缝从顶板起裂后的延伸情况，探讨了相关地质参数和施工参数对裂缝跨界面穿层扩展的影响。结果表明:地质因素中的地应力、煤岩界面强度为煤岩界面处裂缝能否穿层扩展的主要影响因素，垂向应力差异系数越大、界面抗剪切强度越大，越有利于裂缝穿层扩展沟通煤层；煤层与顶板间的弹性模量差异、抗拉强度差异是裂缝从顶板穿层进入煤层的有利因素；现场压裂施工应根据地层情况选择合适的施工参数（排量、注入点与界面的距离）以促进裂缝穿层扩展。研究成果能够为煤层顶板分段压裂水平井地面煤层气高效抽采技术的应用提供参考。      

煤岩水力压裂裂缝扩展规律实验研究

为了分析煤岩水力压裂裂缝扩展规律,采用真三维水力压裂物理模拟实验平台进行煤样真三轴水力压裂物理模拟实验,模拟不同地层应力、渐进角条件下煤样水力压裂过程。实验表明:天然裂隙和割理是影响煤岩裂缝扩展的重要因素,导致裂缝扩展规律复杂多样化;当水平应力差系数值kh1时,水力压裂裂缝趋于沿最大水平主应力方向扩展,当kh值1时,水力压裂裂缝趋于沿天然裂隙方向扩展,当kh值=1时,水力压裂裂缝扩展方向处于不定状态;渐近角对水力压裂裂缝扩展的影响程度总体上小于天然裂隙、割理和水平应力差,实验结果与煤矿井下压裂裂缝观测结果一致。     

青海共和盆地干热岩地热储层水力压裂物理模拟和裂缝起裂与扩展形态研究

水力压裂是青海共和盆地干热岩地热资源开发的难点技术问题之一。本文基于升级改造的大尺寸真三轴水力压裂物理模拟实验系统模拟干热岩储层高温高压环境,利用青海共和盆地露头岩心进行水力压裂物理模拟实验,揭示干热岩储层水力裂缝的起裂和扩展规律。通过物理模拟实验发现：干热岩储层裂缝起裂可以通过文中提出的起裂模型判断起裂方式和预测起裂压力;水力裂缝在岩石基质中的扩展形态简单,仅沿最大主应力方向延伸;但是水力裂缝会受到岩石中弱面的影响,发生转向沿弱面延伸,形成较复杂的裂缝形态。因此,建议在干热岩储层实际施工中,在天然裂缝发育较丰富的层段开展水力压裂,以实现复杂裂缝网络提取地热能。     

煤层水力压裂应力与裂隙演化的细观规律

水力压裂作为煤层强化增透技术的一种,其应力演化特征及裂隙形态与扩展范围的判断尤为重要。采用离散元数值方法,以导向压裂为背景,建立水力压裂流固耦合模型;通过应力路径、裂纹热点图等手段,探究水力压裂过程中压裂排量、泊松比、天然裂隙密度对应力演化和裂隙演化的影响及其细观规律。结果表明:不同压裂排量下的应力演化方向及最终应力路径曲线形状有着明显的不同,低排量下裂隙附近的应力比值逐渐增大,而在高排量下先增大后减小;煤层泊松比越大,平均压裂半径越低,但对起裂时间及裂隙的扩展形态影响不明显;天然裂隙的发育情况对水力裂隙的扩展起着关键性作用,高裂隙发育煤层水力裂隙扩展的方向性无法预测,应力演化方向会出现反转现象;压裂过程中不同区域的应力演化特征能够反映出裂隙的扩展状态,现场可通过监测压裂区域附近应力变化,判断水力压裂缝网的扩展范围。      

正断层上盘煤与瓦斯突出特征与地应力场控制机理

断层带是煤与瓦斯突出发生的主要地质单元.大量煤与瓦斯突出案例统计显示,对于正断层,发生在上盘的突出次数和强度明显大于下盘,但造成这一现象的地质机理研究不多,特别是正断层上盘的地应力场在采动前后的变化规律及其对突出发生的控制机理尚未完全揭示.基于此,以河南焦作矿区中马村煤矿DF4正断层为地质模型,应用FLAC3D软件,模...     

煤岩水力压裂裂缝扩展形态试验研究

通过室内水力压裂物理模拟试验系统,对大尺寸原煤进行了水力压裂模拟试验,根据水力裂缝的空间展布形态分析了煤岩储层水力裂缝的延伸规律,揭示了网状裂缝的形成机制。结果表明：水力裂缝易在弱层理处分叉和转向,发育的层理和裂缝系统等结构面为压裂形成裂缝网络提供了前提条件。泵压曲线呈现出的频繁波动是煤岩内产生网状裂缝的一个显著特征。水力裂缝的起裂与延伸有4种基本模式,裂缝网络的形成多为这4种基本模式的组合。地应力差异系数和泵注排量对煤层水力裂缝形态有较大影响。较小的地应力差异系数更利于网状裂缝的形成;较高的压裂液排量易形成相对简单的裂缝形态,导致压裂改造效果较差。该试验方法和试验结果可为现场水力压裂参数设计和优化提供参考和依据。     

类砂质泥岩常规三轴浆压致裂起裂压力试验研究

为深入探究两淮矿区典型砂质泥岩劈裂注浆起裂机制,研制了常规三轴劈裂注浆试验装置,开展了类砂质泥岩浆压致裂起裂压力模型试验,基于试验结果分析了岩石强度与应力状态对注浆起裂压力、裂缝扩展形态影响规律,揭示了砂质泥岩劈裂注浆起裂机制。研究表明：起裂压力与岩石抗压强度呈正相关,且岩石抗压强度越高,劈裂路径越复杂;起裂压力对围压的敏感程度远高于轴压,且应力差 Δσ =σ_V −σ_H越大,裂缝形态越规整;孔压三轴条件下,封闭裸孔段浆压致裂法确定的岩石抗拉强度值约为单轴抗拉强度的 2.5倍。该研究结果可为今后类似岩层劈裂注浆参数设计与施工提供参考。     

不同尺度岩体结构面对页岩气储层水力压裂裂缝扩展的影响

储层岩体中的天然结构面对水力压裂缝网改造具有重要的影响。本文采用真实破裂过程分析软件RFPA2D-Flow,在考虑岩体非均质性和岩体渗流-应力-损伤破裂特性的基础上,对不同尺度天然结构面影响的水力压裂裂缝扩展与演化行为进行了模拟分析和讨论,研究结果表明:（1）当水力裂缝遇天然非闭合裂隙时,在水力裂缝靠近非闭合裂隙区间形成拉张应力区,水力裂缝与区间非闭合裂隙间微元体累进性张拉破坏是导致水力裂缝与非闭合裂隙贯通的主要机制;（2）层理等优势结构对水力压裂裂缝扩展及缝网形态影响十分显著,当最大主应力方向与层理面走向小角度相交时,层理结构面对水力裂隙的扩展起主要作用,当最大主应力方向与层理面走向大角度相交时,最大主压应力与层理面共同对缝网扩展起主导作用,随着优势结构面的增多和差应力的增大,水力压裂形成的缝网范围和复杂性程度随之增大;（3）储层水力压裂是一种局部范围内的短暂动力扰动过程,尽管断层的存在可以极大地影响水力裂缝的扩展模式,增大水力裂隙扩展高度,但相比于储层埋深,水力压裂对断层封闭性的破坏范围和断层活动性的扰动程度十分有限。     

预制横缝条件下水力裂缝的起裂和扩展

针对高角度天然裂缝发育地层中的水平井水力压裂问题,开展了水力裂缝自天然裂缝处起裂扩展的理论和试验研究。尝试将天然裂缝简化为与井筒轴线垂直的横向裂缝,基于线弹性断裂力学理论和最大拉应力准则,给出了水力裂缝起裂压力和扩展过程中应力强度因子的计算方法。利用预制横缝模拟高角度天然裂缝,开展了室内水力压裂试验,对水力裂缝的扩展形态和起裂压力进行了研究。理论计算表明,（1）水力裂缝自预制横缝端部起裂后,扩展距离超过1倍的预制横缝端部半径时可将预制横缝和水力裂缝合并起来,整体视作一条横向裂缝来计算应力强度因子;（2）水力裂缝尖端距井壁处的距离大于4倍的井筒半径时,应力强度因子的计算可忽略井筒的影响,近似采用硬币形裂缝的计算公式。试验研究发现,（1）水力裂缝在预制横缝端部起裂并扩展,形成与井筒轴线垂直的横向裂缝,裂缝的扩展呈现出Ⅰ型断裂的特点,形态近似呈圆形,未发现与井筒轴线平行的纵向裂缝的起裂和扩展;（2）排量对破裂净压力和起裂净压力有重要影响,大排量会导致较高的破裂净压力和起裂净压力,在大、小两种排量下起裂净压力的离散性均较小,计算得到的KⅠ临界断裂值的离散性也较小。研究结果可为改善裂缝发育储层的近井裂缝形态提供指导,也可为煤矿开采中预制横向切槽的水力压裂设计提供参考。     

A numerical investigation of the hydraulic fracturing behaviour of conglomerate in Glutenite formation

Rock formations in Glutenite reservoirs typically display highly variable lithology and permeability, low and complex porosity, and significant heterogeneity. It is difficult to predict the pathway of hydraulic fractures in such rock formations. To capture the complex hydraulic fractures in rock masses, a numerical code called Rock Failure Process Analysis (RFPA2D) is introduced. Based on the characteristics of a typical Glutenite reservoir in China, a series of 2D numerical simulations on the hydraulic fractures in a small-scale model are conducted. The initiation, propagation and associated stress evolution of the hydraulic fracture during the failure process, which cannot be observed in experimental tests, are numerically simulated. Based on the numerical results, the hydraulic fracturing path and features are illustrated and discussed in detail. The influence of the confining stress ratio, gravel sizes (indicated by the diameter variation), and gravel volume content (VC) on the hydraulic fracturing pattern in a conglomerate specimen are numerically investigated, and the breakdown pressure is quantified as a function of these variables. Five hydraulic fracturing modes are identified: termination, deflection, branching (bifurcation), penetration, and attraction. The propagation trajectory of the primary hydraulic fractures is determined by the maximum and minimum stress ratios, although the fracturing path on local scales is clearly influenced by the presence of gravels in the conglomerate, particularly when the gravels are relatively large. As the stress ratio increases, the fractures typically penetrate through the gravels completely rather than propagating around the gravels, and the breakdown pressure decreases with increasing stress ratio. Furthermore, the breakdown pressure is affected by the size and volume content of the gravel in the conglomerate: as the gravel size and volume content increase, the breakdown pressure increases.     

薄互层水力裂缝垂向扩展控制因素试验研究

新疆油田某地区油藏的储隔层岩性组合复杂,呈现突出的薄互层产状特征,研究合、分压判断条件有利于提高压裂效率,增强储层动用程度与压后改造效果。水力裂缝在薄互层中的穿层与裂缝扩展行为受薄互层地质特征与压裂施工参数的影响。基于此,开展了薄互层物理模型压裂试验,研究界面胶结、岩层分布、岩层厚度、压裂液黏度与注液排量对薄互层中水力裂缝垂向扩展的影响分析。试验结果表明：薄互层的地层特征界面胶结与岩层分布是水力裂缝垂向扩展的主要控制因素,界面胶结强度对裂缝垂向扩展行为的影响强于岩层分布;由于弱胶结界面的存在,水力裂缝垂向扩展穿层时可发生方向偏转,抑制裂缝垂向扩展;提高压裂液黏度与注液排量有利于薄互层中水力裂缝的穿层垂向扩展。     

Numerical Modeling of Pore Pressure Influence on Fracture Evolution in Brittle Heterogeneous Rocks

Rock is a heterogeneous geological material. When rock is subjected to internal hydraulic pressure and external mechanical loading, the fluid flow properties will be altered by closing, opening, or other interaction of pre-existing weaknesses or by induced new fractures. Meanwhile, the pore pressure can influence the fracture behavior on both a local and global scale. A finite element model that can consider the coupled effects of seepage, damage and stress field in heterogeneous rock is described. First, two series of numerical tests in relatively homogeneous and heterogeneous rocks were performed to investigate the influence of pore pressure magnitude and gradient on initiation and propagation of tensile fractures. Second, to examine the initiation of hydraulic fractures and their subsequent propagation, a series of numerical simulations of the behavior of two injection holes inside a saturated rock mass are carried out. The rock is subjected to different initial in situ stress ratios and to an internal injection (pore) pressure at the two injection holes. Numerically, simulated results indicate that tensile fracture is strongly influenced by both pore pressure magnitude and pore pressure gradient. In addition, the heterogeneity of rock, the initial in situ stress ratio (K), the distance between two injection holes, and the difference of the pore pressure in the two injection holes all play important roles in the initiation and propagation of hydraulic fractures. At relatively close spacing and when the two principal stresses are of similar magnitude, the proximity of adjacent injection holes can cause fracturing to occur in a direction perpendicular to the maximum principal stress.